材料基础-第四章固体材料的缺陷

例如，Fe的剪切模量大约100GPa，则理论剪切 模量应为3000MPa。但是，单晶体Fe的实际强度仅 为1－10MPa，晶面之间的滑移用相当小剪力就能移 动。理论值与实际值相差巨大。因而，人们就猜测 晶体中存在着象位错这样的线缺陷。 当时仅是理论上的一种推测，没有真正看到。 直到50年代，透射电镜（TEM）的研发成功，才从 实验中观察到实际的位错形貌。 当晶体的一部分相对于另一部分进行局部滑移 时，晶体的已滑移部分与未滑移部分的交界线形成 分界线，即位错，用TEM可观察到(见图4-4)。 位错主要分两种类型：刃型位错和螺型位错。
按晶体缺陷的几何特征，可以分成四种 基本类型：点缺陷、线缺陷(位错)、面缺陷 和体缺陷，如图4-1所示。 但需记住，这些缺陷只代表理想原子排 列中的缺陷。而实用上，为了获得所要求的 材料性能如强度、硬度、塑性等，有时要有 意地制造一些缺陷，即通过合金化、扩散、 热处理和表面处理，设计和控制这些缺陷。 因此，设计和控制晶体缺陷是改进产品 质量的关键，特别是对晶体生长以及使用过 程中控制缺陷的形成、类型以及变化，都是 极为重要的。
图4-3 晶格节点的置换原子
4. 点缺陷对材料性能的影响 在一般情况下，点缺陷主要影响晶体的物 理性质，如比容、比热容、电阻率等。 （1）比容 为了在晶体内部产生一个空位，需将该处 的原子移到晶体表面上，这就导致体积的增加。
（2）比热容 由于形成点缺陷，需向晶体提供附加的能 量(空位生成焓)，因而引起附加的比热容。
断裂，而不会沿垂直截面的方向断裂，原因在于 材料在变形过程中发生了滑移，如图4-10所示。
图4-10 单晶体的拉伸断裂 及晶面滑移形貌
这是因为，材料的塑性变形通常会沿着晶体原子 的密排方向滑移，见图4-11 外加拉应力、滑移方向和滑移面的关系
在图4-11示意图中，是外力F方向与滑移方 向之间的夹角，是力与滑移面法线之间的夹角， 而在滑移方向的分力Fs是Fcos,滑移面的面积As 是A/cos ,把分力除以面积得出如下结果： Fs/As=(F/A)coscos 或 ＝coscos （ 4 －2 ） 其中，是滑移面上滑移方向的切应力，是外加 拉应力。 单晶体上的正应力，会在滑移面沿着滑移方 向产生剪应力，如果这个力大到一定值时，就可 以引发晶体面之间的滑移。
图4-7为螺型位错示意图
3.柏格斯回路 (Burgers circuit) 为描述晶体中位错移动的方向（晶向）和原 子畸变的大小，1939年柏格斯(J. M. Burgers)采 用柏氏回路来定义位错，借助一个规定的矢量， 即柏氏矢量来揭示位错的本质。 柏格斯回路是在有缺陷的晶体中，围绕缺陷 区将原子逐个连接而成的右旋封闭回路，简称 柏氏回路，用柏氏矢量b 连接，确保整个回路的 起点和终点的重合。 另外，为判断回路中包含的缺陷是点缺陷还 是位错，只需无缺陷的完整晶体中按同样的顺 序将原子逐个连接，如能得到一个封闭回路，
1.晶体外表面 (outer surface of crystal) 位于表面上的原子与 晶体内部的原子相比，其 配位数较少，使表面原子 偏离正常位置(图4-13), 在 表面层产生了晶格畸变， 导致其能量升高。将这种 单位表面面积升高的能量 称为比表面能，简称表面 能，用单位长度上的表面 图4-13 表面原子排列 张力（N／m）表示。
3．置换原子（substitutional atom） 占据晶体晶格结点的异类原子，称为置换原子， 如图4-3所示。 在置换固溶体中，溶质原子的半径与溶剂原子的 半径基本相当。当原子半径较小时，更容易进入晶格 的间隙位置而成为间隙原子。 无论哪一类点缺陷，都会造成晶格扭曲，在缺陷 周围产生弹性应力场，使体系内能升高。 晶体中的点缺陷，无论空位、间歇原子，还是置换 原子等，对材料性能均有较大的影响。 固溶体的形成，会产生额外的弹性应力场，使得 金属的强度得到提高，但电阻率变大。
位错一般由晶体凝固时原子的意外排列、晶 体中其它缺陷产生的内应力作用和材料塑性变形 时发生的位错之间的相互作用而产生。
图4-4 不锈钢中的位错线
1.刃型位错(edge dislocation) 设有一简单立方晶体，在面内剪应力作用 下，其上半部分相对于下半部分沿着ABCD面局 部滑移了一个原子间距，如图4-5a所示，上半 部分出现了多余的半排原子面EFGH，似有半个 原子面切入晶体的特征，故称为刃型位错。 刃型位错是晶体局部滑移的结果。由于位 错线附近晶格畸变，位错线附近则产生了弹性 应力场。 位错线处在面的上方时，用记号 表示， 位错线处在面的下方时，用记号 表示。
解答：由上图可知，晶面指数（1 1 1）的滑动 方向必为密堆积方向:
1 1 0 , 1 0 1 , 0 1 1或 1 1 0 ， 1 0 1， 0 1 1
2.螺型位错(screw dislocation) 图4－7为对应的螺型位错。 在位错线的附近过渡区，原子排列出现 面外脱离理想状态；而过渡区外，原子仍规 则排列。由于过渡区原子位置的错动有螺旋 型特征，因而得名。 螺型位错产生的原因是由面外力作用所 致。 注意，螺型位错与位错线是平行的。
图4-5 刃型位错的产生
需要强调的是，当两个原子面之间滑移或 塑性变形时，并不是原子面间发生整体刚性位 移，而是通过位错线的逐步移动来实现，如图 4-6所示。 更应记住，刃型位错线始终是与滑移方向 相垂直的。
图4-6 位错的运动过程
例4-1 在图示的FCC金属的（1 1 1）滑移面 上标出滑动方向的晶向指数。
图4-1 晶体中重要缺陷的分类
4.2 点缺陷（point defect） 点缺陷是指在三维尺度上不超过几个原 子直径大小的那些微小的缺陷。 也就是说，微小的点缺陷可以涉及一个原 子，也可以是几个原子范围内的空间点阵结 构的局部缺陷。
点缺陷的基本类型主要有三种：空位、间 隙原子和异类原子（置换原子）。
2. 间隙原子（interstitial atom） 在晶体晶格间隙处存在的原子，叫间隙原子， 如图4-2c所示。它也是由原子的热运动产生的。 间隙原子通常是原子半径小于 0.1nm 的非金 属 元 素 的 原 子 , 如 H(0.046nm) 、 C(0.077nm) 、 N(0.071nm) 、 B(0.097nm) 、 O(0.061nm) 等。这些半径 较小的原子存在于间隙固溶体和置换固溶体中。 当这类原子进入到点阵结构中，就形成间隙 缺陷。即使面心立方晶体，致密度仅 74 ％ , 26 ％ 为空隙，故有一定的间隙空间。实际上，纯金属 中含有的杂质，是有意被加到材料中以改善其性 能。由于间隙原子和置换原子的存在 ,邻近原子会 偏离其平衡位置，造成晶格周围畸变(图4-2d)。
第四章 晶体材料的缺陷 4.1 引言 实际的晶体结构不是理想的无缺陷结构， 会存在一些不规则现象或形成结构不完整的区 域，这就是晶体缺陷。 早在1926年，弗兰克尔(Frenkel) 就指出， “在任一温度下，实际晶体中的原子排列都不 会是完整的点阵，晶体一些区域的原子的正规 排列遭到破坏而失去正常的相邻关系。” 晶体缺陷对于材料性能，尤其是塑性变形、 晶体生长、扩散、相变及强度等均有很大影响。 另外，正是缺陷的存在，半导体才会传输电子， 金属才具有延展性，改善材料性能才成为可能。
图4-2 点缺陷的类型
晶体中的原子是以平衡位置为中心不停地 运动，原子在某一瞬间可能会获得较大的动能， 超过其激活能而脱离平衡位置逸出，造成原位 置的原子空缺。如果周围已有空位，原子就会 跳入该空位，空位在晶体内部进行扩散移动。 温度升高，原子获得的动能就越大，空位浓度 也就增加。 因而，点缺陷通常是由热振动产生的。它 通常是一种热力学的平衡缺陷。 在熔体凝固过程中，如高温、塑性变形及 辐照加工等，均会在晶体结构中产生空位。适 量的空位对材料是有益的。如果没有空位，材 料是无法成型或进行改性。
的损伤机理以及金属材料的各种强化机制都是 以位错理论为基础。
1μm
图4-12 F12钢晶界碳化物的TEM衍射图像
4. 位错的实验观测
(1) 表面法(蚀坑法) 用适当的方法侵蚀晶体表面，显示位错在 表面的露头。 (2) 缀饰法 许多晶体对可见光和红外线是透明的。通 过渗入适当的外来原子，经热处理使之择优 分布在位错线上，因而可用光学显微镜观察。 (3) 透射电镜法 (4) X射线衍衬象法
（3）电阻率 金属的电阻，主要来源于离子对传导电 子的散射。 在完整晶体材料中，电子基本上是在均 匀电场中运动，当晶体存在缺陷时，在缺陷 区的点阵周期性规律被破坏，因而电阻率增 加。 点缺陷还会影响其它的物理性质，如扩 散系数、内耗、介电系数等。
4.3 线缺陷（line defect） 线缺陷是指晶体中二维尺度方向很小但在第 三维尺度方向上较大的缺陷。 位错 (dislocation) 是理想空间点阵中存在的一 种最典型的线缺陷。 位 错 概 念 早 在 1934 年 由 Taylor 、 Orowen 、 Polanyi同时独立提出，当时主要是为了解释材料 的实际强度为什么要比理论预测的强度低得多。 根据晶体中原子键合力与弹性模量的关系， 理论抗剪模量 与剪切模量G存在以下关系： ＝G/30 （4－1）
4. 位错的重要特性 位错的形貌和大小，通常可用透射电镜直接观测。 金属材料的变形主要是通过滑移实现的， 而陶瓷和高分子虽然比较脆，但也有位错存在。 位错对于理解金属材料的一些力学行为特别有用。 它可以解释材料的各种性能和行为，特别是变形、损 伤和断裂机制，相应的学科为塑性力学、损伤力学和 断裂力学。另外，位错对晶体的扩散和相变等过程也 有较大的影响。 首先，滑移解释了金属的实际强度与根据金属键 理论预测的理论强度低得多的原因。 金属材料拉伸断裂时，一般沿450截面方向
1. 空位（vacancy） 空间点阵晶格上没有原子的结点叫空位， 如图4-2a所示。 如果仅形成空位而不形成等量的间隙原子， 如图4－2a所示的那样 ，则这种缺陷叫肖脱基 缺陷 (Schottky disorder), 对于离子晶体，由于离子平衡的电中性要 求，在形成空位的同时，还会形成等量的间隙 原子，这种缺陷称为弗兰克尔缺陷(Frenkel disorder)，如图4-2b所示。 空位和间隙原子均是由原子的热运动产生 的。